Diseño sostenible de materiales cerámicos multifuncionales para el suministro eléctrico de baja potencia

[ES] La propuesta de uso de sustratos cerámicos, tipo baldosa, como parte de un sistema fotovoltaico integrado y de almacenamiento de energía para edificaciones resulta muy interesante desde la perspectiva de generar edificios autosustentables energéticamente, reducir el consumo de combustibles fósiles y la correspondiente huella de carbono. La fabricación de sustratos cerámicos con superficies funcionalizadas con celdas solares y supercapacitores es aún limitada. Los principales inconvenientes están relacionados con la falta de conductividad y alta rugosidad superficial que presentan este tipo de sustratos. En esta investigación se propone la fabricación de celdas solares del tipo unión p-n y de electrodos híbridos para su uso en supercapacitores sobre la superficie metalizada de un sustrato cerámico utilizando métodos de inmersión y electrodeposición. Siendo el principal objetivo el diseño y fabricación sostenible de materiales cerámicos multifuncionales para la generación y almacenamiento de energía eléctrica de baja potencia. Se ha evaluado el efecto de las condiciones de activación del catalizador de paladio en la síntesis del recubrimiento metálico de Ni-Mo-P, sobre un sustrato cerámico, por reducción química autocatalítica (electroless), así como, la aplicación de tratamientos térmicos posteriores. Además se ha estudiado, sobre dos tipos de sustratos, incluyendo el sustrato cerámico metalizado, el comportamiento electroquímico que presenta la combinación de polipirrol y óxido de grafeno en la fabricación de un electrodo híbrido, para su uso en un supercapacitor; y el comportamiento fotoeléctrico que presenta la unión de óxido de zinc y óxido cuproso, para la fabricación de una celda solar del tipo unión p-n. Los resultados obtenidos muestran que las condiciones de activación del catalizador de paladio y la aplicación de un tratamiento térmico producen cambios en las características morfológicas y en las propiedades mecánicas, eléctricas y de adherencia del recubrimiento de Ni-Mo-P. Un balance entre las propiedades eléctricas, mecánicas y de adherencia del recubrimiento de Ni-Mo-P se consigue a bajas condiciones de activación del catalizador (300 ºC por 12 h). Además, se estableció que la aplicación de un tratamientos térmico (160 ºC por 16 h) en condiciones de vacío mejoran las propiedades eléctricas y morfológicas del recubrimiento. La combinación de capas de polipirrol y de óxido de grafeno en la fabricación del electrodo híbrido del supercapacitor, sobre los sustratos de fibra de carbono y el cerámico metalizado, muestra un comportamiento electroquímico. Se determina que existe una mejora en el crecimiento de la capa de polipirrol con la adición de una capa de óxido de grafeno reducido. El electrodo sobre el sustrato cerámico metalizado se determina un incremento de las propiedades electroquímicas del electrodo al reducir químicamente el óxido de grafeno. Los electrodos presentan una ciclabilidad a largo plazo. En este mismo sentido, las propiedades fotoeléctricas de la celda solar fabricada sobre el sustrato cerámico conductor presentaron una dependencia con la estructura superficial del recubrimiento de Ni-Mo-P y con las condiciones de electrodeposición de la capa de ZnO. Las celdas solares presentan considerables propiedades fotoeléctricas comparables con la literatura. Finalmente, se ha conseguido obtener un sustrato cerámico multifuncional con propiedades de generación y almacenamiento de energía eléctrica mediante la metalización del sustrato cerámico por el proceso de reducción química autocatalítica y la combinación de materiales como polipirrol, óxido de grafeno, óxido de zinc y óxido cuproso. Las propiedades fotoeléctricas y electroquímicas obtenidas son comparables con las que se reportan en la literatura, lo que resulta prometedor para trabajos futuros.[CA] La proposta d'ús de substrats ceràmics, tipus rajola, com a part d'un sistema fotovoltaic integrat i d'emmagatzematge d'energia per a edificacions resulta molt interessant des de la perspectiva de generar edificis autosostenibles energèticament, reduir el consum de combustibles fòssils i la corresponent petjada de carboni. La fabricació de substrats ceràmics amb superfícies funcionalitzades amb cel¿les solars i supercapacitors és encara limitada. Els principals inconvenients estan associats a la falta de conductivitat i alta rugositat que presenten aquest tipus de substrats. En aquesta tesi es proposa la fabricació de cel¿les solars del tipus unió p-n i d'elèctrodes híbrids per al seu ús en supercapacitors sobre la superfície metal¿litzada del substrat ceràmic utilitzant mètodes de Doctor Blade, immersió i electrodeposició. Sent el principal objectiu el disseny i fabricació sostenible de materials ceràmics multifuncionals per a la generació i emmagatzematge d'energia elèctrica de baixa potència. S'ha avaluat l'efecte de les condicions d'activació del catalitzador de pal¿ladi en el procés de metal¿lització per reducció química autocatalítica (electroless) del recobriment de Ni-Mo-P sobre el substrat ceràmic, així com l'aplicació o no de tractaments tèrmics posteriors. També s'estudia, sobre dos tipus de substrats, incloent el substrat ceràmic metal¿litzat, el comportament electroquímic que presenta la combinació d'un polímer conductor (polipirrol) i un nanomaterial de carboni (òxid de grafé) per a fabricar un elèctrode híbrid per al seu ús en un supercapacitors, igual que el comportament fotoelèctric que mostra l'òxid de zinc i l'òxid cuprós en la fabricació d'una cel¿la solar del tipus unió p-n. Els resultats obtinguts mostren que les condicions d'activació del catalitzador de pal¿ladi i l'aplicació d'un tractament tèrmic en el recobriment de Ni-Mo-P sobre el substrat ceràmic produeixen canvis en les característiques morfològiques i en les propietats mecàniques, elèctriques i d'adherència del recobriment. S'aconsegueix un balanç entre les propietats elèctriques, mecàniques i d'adherència del recobriment de Ni-Mo-P amb condicions baixes d'activació del catalitzador (300 °C per 12 h). A més, es va establir que l'aplicació d'un tractament tèrmic (160 °C per 16 h) en condicions de buit milloren les propietats elèctriques i morfològiques del recobriment. La combinació de polipirrol i òxid de grafé en la fabricació de l'elèctrode híbrid del supercapacitors, sobre els substrats de fibra de carboni i el ceràmic metal¿litzat, mostra un comportament electroquímic. Es determina que existeix una millora en el creixement del polipirrol amb l'addició d'òxid de grafé reduït. D'altra banda, en l'elèctrode sobre el substrat ceràmic metal¿litzat es determina un increment de les propietats electroquímiques de l'elèctrode en reduir químicament l'òxid de grafé. Els elèctrodes presenten una ciclabilitat a llarg termini. En aquest mateix sentit, les propietats fotoelèctriques de la cel¿la solar fabricada sobre el substrat ceràmic conductor van presentar una dependència amb l'estructura superficial del recobriment de Ni-Mo-P i amb les condicions de electrodeposició de la capa de ZnO. Les cel¿les solars presenten considerables propietats fotoelèctriques comparables amb la literatura. Finalment, s'ha aconseguit obtindre un substrat ceràmic multifuncional amb propietats de generació i emmagatzematge d'energia elèctrica mitjançant el procés de reducció química autocatalítica per a metal¿lització del substrat ceràmic i la combinació de materials com polipirrol, òxid de grafé, òxid de zinc i òxid cuprós. Les propietats fotoelèctriques i electroquímiques obtingudes són comparables amb les indicades en la literatura, el que resulta prometedor per a treballs futurs.[EN] energy storage system for buildings is very interesting from the perspective of generating self-sustaining energy buildings, reducing the consumption of fossil fuels and the corresponding carbon footprint. The fabrication of functional ceramics towards photovoltaics and energy storage is still limited. The main drawbacks in this respect are associated with the lack of conductivity and high roughness of this kind of substrates. This thesis proposes the fabrication of p-n heterojunction solar cells and hybrid electrodes for supercapacitors based on ceramic substrates by modifying the surface of the substrates by using metallization, dip-coating and electrodeposition methods. The main objective is the design and sustainable fabrication of multifunctional ceramic materials for the generation and storage of low power electrical energy. The metallization of the ceramic substrate with a Ni-Mo-P coating by using electroless method in varying activation conditions of the palladium catalyst as well as the annealing treatment have been evaluated. The electrochemical behavior of a hybrid coating based on conductive polymer (polypyrrole) and carbon nanomaterial (graphene oxide) deposited at the surface of ceramic substrate as well as a conductive substrate was evaluated for the fabrication of hybrid electrode for supercapacitors while the photoelectric behavior exhibited by zinc oxide and cuprous oxide at the surface of ceramic substrate and varying conductive ones was evaluated for in the manufacture of a p-n heterojunction solar cell. The results obtained show that the activation conditions of the palladium catalyst and the application of an annealing treatment produce changes in morphological characteristics and mechanical, electrical and adhesion properties in the electroless Ni-Mo-P coating. A balance between the electrical, mechanical and adhesion properties of the Ni-Mo-P coating is achieved with low catalyst activation conditions (300 °C for 12 h). In addition, the application of annealing treatment (160 ºC for 16 h) under vacuum conditions improves the electrical and morphological properties of the coating. The combination of polypyrrole and graphene oxide in the fabrication of hybrid supercapacitor electrodes, both on the carbon fiber substrates and the metallic ceramic, shows a good electrochemical behavior. It is determined that there is an improvement in the growth of polypyrrole with the addition of reduced graphene oxide. On the other hand, reduction of graphene oxide results in enhancing the electrochemical properties of the metallized ceramic electrode. The electrodes have long-term cyclability. In this way, the photoelectric properties of the solar cell manufactured on the conductive ceramic substrate showed a dependence with the surface structure of the Ni-Mo-P coating and with the electrodeposition conditions of the ZnO layer. Solar cells have photoelectric properties comparable to the literature. Finally, it has been possible to obtain a multifunctional ceramic substrate with potential properties for generation and storage of electric energy through the electroless method to metallize a ceramic substrate and the combination of materials such as polypyrrole, graphene oxide, zinc oxide and cuprous oxide. Photoelectric and electrochemical properties obtained are comparable with those reported in the literature, which is promising for future work.Este trabajo ha sido desarrollado en el Instituto de Tecnología de Materiales y en el Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales de la Universitat Politècnica de València, mediante la beca de la Secretaría de Educación Superior, Ciencia, Tecnología e Innovación (SENESCYT) de Ecuador, Convocatoria Docentes Universitarios, 2015.Rosas Laverde, NM. (2020). Diseño sostenible de materiales cerámicos multifuncionales para el suministro eléctrico de baja potencia [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/140554TESI

The importance of knowing how to recognize good books: Analysis of our experience in the book valuation committees at Fundalectura

La lectura como medio facilitador de la comprensión del mundo se ha abandonado a la suerte de grandes compañías editoriales que crean en masa libros sin objeto, concepto o información precisa. Encontrar libros que logren llevar a niños y jóvenes a ser analíticos y críticos frente a sus realidades se ha vuelto un reto que como docentes en formación debemos asumir, pues día a día los niños son puestos frente a lecturas que no alcanzan que no cumplen con estándares básicos para sus edades o que están muy alejados de sus realidades. Se hace necesario desaprender y aprender lo básico, construir un criterio, un gusto por la buena lectura. En los comités de valoración de libros de Fundalectura encontramos un escenario ideal para este propósito. En el presente documento abordaremos nuestro paso por los comités en sentido de trabajo de campo y experiencia reflexiva.Reading as a means of facilitating understanding of the world has been abandoned to the fate of large publishing companies that create books en masse without object, concept or precise information. Finding books that manage to lead children and young people to be analytical and critical in the face of their realities has become a challenge that as teachers in training we must take on, because every day children are faced with readings that do not reach that do not meet standards basic for their ages or that are far removed from their realities. It is necessary to unlearn and learn the basics, build criteria, a taste for good reading. In Fundalectura's book valuation committees we find an ideal setting for this purpose. In this document we will address our passage through the committees in the sense of field work and reflective experience.Fundalectur

Interacción de bromuro cetiltrimetilamonio con los sitios superficiales activos de la caolinita durante la flotación

En el presente estudio, se investigó las interacciones entre superficies de caolinita y el colector bromuro cetiltrimetil amonio (CTAB), empleado en el proceso de flotaci de la caolinita. Utilizando medidas de potencial zeta y flotaci en tubo Hallimond, se confirmó que la flotación de la caolinita es dependiente del pH y de la concentración del colector. Las condiciones de mejor flotabilidad se presentan a pH=4.1 y 3.75*10-4 M de CTAB.La interacción mineral/colector ocurre mediante un mecanismo adsorción/precipitación. La espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier (FTIR) permitió determinar que los  cationes de la amina forman enlaces fuertes, tipo puentes de hidrógeno, con los grupos silanol presentes en la superficie mineral. Se observa la evolución de bandas características de especies adsorbidas correspondientes a las vibraciones N-H, O-H, Si-OH y Si(Al)-O. La atracci de CTAB sobre la superficie de caolinita causa una reducción en las intensidades de las bandas correspondientes a las vibraciones OH y aparecen nuevas bandas en la región comprendida entre 3500 y 3700 cm-1. Al trabajar con concentraciones del colector de 4.76*10-4M se aprecia la formación de estructuras micelares fuertes sobre la superficie de la caolinita y se observa un decrecimiento en la respuesta de flotación

Improving the properties of Cu2O/ZnO heterojunction for photovoltaic application by graphene oxide

[EN] A p-Cu2O/n-ZnO heterojunction grown on fluorine-doped tin oxide (FTO) substrate is reported by a combined low-cost approach employing tape-casting of ZnO layer and subsequent electrochemical deposition of Cu2O layer. Graphene oxide (GO) nanosheets were employed as nanofiller for the ZnO matrix. Moreover, a ZnO buffer layer was inserted at the interface between the Cu2O and ZnO layers. The morphological, structural and photoelectrical characteristics of these heterojunction layers were investigated by field emission scanning electron microscopy (FESEM), X-ray diffraction (XRD), Raman spectroscopy and photoelectrical current-voltage measurements. The results confirmed that the morphology and structure of ZnO layer were affected by the incorporation of GO nanosheets while the presence of buffer layer influenced the growth of Cu2O layer. This work shows the addition of GO and the use of ZnO buffer layer represent a viable approach towards improving the photoelectrical properties of the Cu2O/ZnO heterojunction cell.Financial support from Escuela Politecnica Nacional, Ecuador (project number PIMI 15-09) and Secretaria de Education Superior, Ciencia, Tecnologia e Innovation (SENESCYT) and Romanian National Authority for Scientific Research and Innovation, Romania CNCS - UEFISCDI (project number PN-III-P1-1.1-TE-2016-1544) is gratefully acknowledged.Rosas-Laverde, NM.; Pruna, AI.; Busquets Mataix, DJ.; Marí, B.; Cembrero Cil, J.; Salas Vicente, F.; Orozco-Messana, J. (2018). Improving the properties of Cu2O/ZnO heterojunction for photovoltaic application by graphene oxide. Ceramics International. 44(18):23045-23051. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2018.09.107S2304523051441

Rendimiento de las celdas solares de heterounión ZnO/Cu2O modificadas con óxido de grafeno

[EN] We report the fabrication of ZnO/Cu2O heterojunction solar cells by means of the electrodeposition technique. The effect of electrolyte medium for the ZnO deposition, annealing treatment and interface modification with graphene oxide (GO) layer on the photoelectrical properties was analyzed. The electrochemical results indicated a markedly dependent Cu2O film electrodeposition on the GO-modified ZnO films. The modification of ZnO/Cu2O interface with GO nanosheets and annealing treatment results in improved interface properties, varying morphology and defects in ZnO lattice that further lead to enhanced performance of the proposed heterojunction solar cells. While the obtained results indicate that the properties of GO coating need to be tailored for improved performance, a synergetic effect of the GO addition and annealing treatment on the photoelectric properties of the electrodeposited heterojunction is achieved. (C) 2019 SECV. Published by Elsevier Espana, S.L.U.[ES] Se presenta la fabricación de celdas solares de heterounión de ZnO/Cu2O obtenidas mediante la técnica de electrodeposición. Se analizó el efecto del electrolito utilizado para la deposición de ZnO, el tratamiento térmico aplicado y la modificación de la interfaz con una capa de óxido de grafeno (GO) sobre las propiedades fotoeléctricas. Los resultados electroquímicos indicaron que existe una marcada dependencia de electrodeposición de capa de Cu2O sobre las películas de ZnO modificadas con GO. La modificación de la interfaz ZnO/Cu2O con nanohojas de GO y el tratamiento térmico dan como resultado mejoras en las propiedades de la interfaz, una morfología variable y defectos en la red de ZnO que conducen a un mejor rendimiento de las celdas solares de heterounión propuestas. Si bien los resultados obtenidos indican que las propiedades del recubrimiento de GO deben adaptarse para mejorar el rendimiento, se logra un efecto sinérgico del tratamiento de adición y térmico de GO aplicados sobre las propiedades fotoeléctricas de la heterounión electrodepositada.Financial support from Escuela Politécnica Nacional (project number PIMI 15-09), Secretaría de Educación Superior, Ciencia, Tecnología e Innovación (SENESCYT) of Ecuador, Romanian National Authority for Scientific Research and Innovation CNCS ¿ UEFISCDI (project number PN-III-P1-1.1-TE-2016-1544), Spanish government MINECO (projects MAT2016-75586-C4-2-P and MAT2015-71070-REDC) and from Generalitat Valenciana (project PROMETEO 2018/123 ¿ EFIMAT) is gratefully acknowledged. In addition, authors would like to thank to the Microscopy Service of UPV and Dr. David Busquets-Mataix for useful advice.Rosas-Laverde, NM.; Pruna, AI.; Cembrero Gil, J.; Orozco-Messana, J.; Manjón, F. (2019). Performance of graphene oxide-modified electrodeposited ZnO/Cu2O heterojunction solar cells. Boletín de la Sociedad Española de Cerámica y Vidrio. 58(6):263-273. https://doi.org/10.1016/j.bsecv.2019.06.002S263273586Kathalingam, A., Vikraman, D., Kim, H.-S., & Park, H. J. (2017). Facile fabrication of n-ZnO nanorods/p-Cu 2 O heterojunction and its photodiode property. Optical Materials, 66, 122-130. doi:10.1016/j.optmat.2017.01.051Panigrahi, S., Nunes, D., Calmeiro, T., Kardarian, K., Martins, R., & Fortunato, E. (2017). Oxide-Based Solar Cell: Impact of Layer Thicknesses on the Device Performance. ACS Combinatorial Science, 19(2), 113-120. doi:10.1021/acscombsci.6b00154Makhlouf, H., Weber, M., Messaoudi, O., Tingry, S., Moret, M., Briot, O., … Bechelany, M. (2017). Study of Cu 2 O\ZnO nanowires heterojunction designed by combining electrodeposition and atomic layer deposition. Applied Surface Science, 426, 301-306. doi:10.1016/j.apsusc.2017.07.130Cheng, K., Li, Q., Meng, J., Han, X., Wu, Y., Wang, S., … Du, Z. (2013). Interface engineering for efficient charge collection in Cu2O/ZnO heterojunction solar cells with ordered ZnO cavity-like nanopatterns. Solar Energy Materials and Solar Cells, 116, 120-125. doi:10.1016/j.solmat.2013.04.021Perng, D.-C., Hong, M.-H., Chen, K.-H., & Chen, K.-H. (2017). Enhancement of short-circuit current density in Cu2O/ZnO heterojunction solar cells. Journal of Alloys and Compounds, 695, 549-554. doi:10.1016/j.jallcom.2016.11.119Zamzuri, M., Sasano, J., Mohamad, F. B., & Izaki, M. (2015). Substrate type -Cu2O/-ZnO photovoltaic device prepared by photo-assisted electrodeposition. Thin Solid Films, 595, 136-141. doi:10.1016/j.tsf.2015.10.054Zhou, X., Xie, Y., Ma, J., Mi, H., Yang, J., Cheng, J., & Hoang, T. K. A. (2017). Synthesis of hierarchical structure cuprous oxide by a novel two-step hydrothermal method and the effect of its addition on the photovoltaic properties of ZnO-based dye-sensitized solar cells. Journal of Alloys and Compounds, 721, 8-17. doi:10.1016/j.jallcom.2017.05.334Messaoudi, O., Makhlouf, H., Souissi, A., Ben assaker I., Amiri, G., Bardaoui, A., … Chtourou, R. (2015). Synthesis and characterization of ZnO/Cu2O core–shell nanowires grown by two-step electrodeposition method. Applied Surface Science, 343, 148-152. doi:10.1016/j.apsusc.2015.03.045Jiang, X., Lin, Q., Zhang, M., He, G., & Sun, Z. (2015). Microstructure, optical properties, and catalytic performance of Cu2O-modified ZnO nanorods prepared by electrodeposition. Nanoscale Research Letters, 10(1). doi:10.1186/s11671-015-0755-0Hussain, S., Cao, C., Nabi, G., Khan, W. S., Usman, Z., & Mahmood, T. (2011). Effect of electrodeposition and annealing of ZnO on optical and photovoltaic properties of the p-Cu2O/n-ZnO solar cells. 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Graphene Oxide-Polypyrrole Coating for Functional Ceramics

Ceramic substrates were metallized with a Ni-Mo-P electroless coating and further modified with a polypyrrole (PPy) coating by the electrodeposition method. The properties of the polypyrrole coating were studied with the addition of a graphene oxide (GO) nanomaterial prior to the electrodeposition and its reduction degree. Fourier Transform Infrared Spectroscopy, Field-Emission Scanning Electron Microscopy, Raman spectroscopy and cyclic voltammetry were employed to characterize the properties of the coatings. The results indicated the successful synthesis of conductive electrodes by the proposed approach. The electrodeposition of PPy and its charge storage properties are improved by chemically reduced GO. The surface capacitive contribution to the total stored charge was found to be dominant and increased 2–3 fold with the reduction of GO. The chemically reduced GO-modified PPy exhibits the highest capacitance of 660 F g−1 at 2 mV s−1, and shows a good cyclability of 94% after 500 charge/discharge cycles. The enclosed results indicate the use of an NiMoP electroless coating, and modification with a carbon nanomaterial and conducting polymer is a viable approach for achieving functional ceramics

Interacción de bromuro cetiltrimetilamonio con los sitios superficiales activos de la caolinita durante la flotación.

En el presente estudio, se investigó las interacciones entre superficies de caolinita y el colector bromuro cetiltrimetil amonio (CTAB), empleado en el proceso de flotaci de la caolinita. Utilizando medidas de potencial zeta y flotaci en tubo Hallimond, se confirmó que la flotación de la caolinita es dependiente del pH y de la concentración del colector. Las condiciones de mejor flotabilidad se presentan a pH=4.1 y 3.75*10-4 M de CTAB. La interacción mineral/colector ocurre mediante un mecanismo adsorción/precipitación. La espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier (FTIR) permitió determinar que los cationes de la amina forman enlaces fuertes, tipo puentes de hidrógeno, con los grupos silanol presentes en la superficie mineral. Se observa la evolución de bandas características de especies adsorbidas correspondientes a las vibraciones N-H, O-H, Si-OH y Si(Al)-O. La atracci de CTAB sobre la superficie de caolinita causa una reducción en las intensidades de las bandas correspondientes a las vibraciones OH y aparecen nuevas bandas en la región comprendida entre 3500 y 3700 cm-1. Al trabajar con concentraciones del colector de 4.76*10-4M se aprecia la formación de estructuras micelares fuertes sobre la superficie de la caolinita y se observa un decrecimiento en la respuesta de flotación